车轮轮辐水平切边模具设计

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车轮轮辐水平切边模具设计汽车设计
一、引言
    车轮是汽车行驶系统中的重要部件，它的质量直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。钢制车轮由轮辋和轮辐组成。而轮辐需经冲压拉深、成形和切边等工序加工后再压入轮辋之中，并在两者接合处进行焊接。但轮辐切边的单件高度尺寸一致性及口部端面平整性尤其重要，直接影响着钢制车轮焊接质量以及相关焊接工艺参数的控制。因此，要使轮辐切边尺寸及焊接过程的稳定，就必须对轮辐切边工艺方法和模具结构进行分析与设计。
    二、切边工艺方案的确定
    图1所示轮辐是钢制车轮上的重要冲压成形件，使用材料SAPH440，材料厚度t ＝ 3.5mm，内置偏距45mm。一般情况下，这类轮辐的切边工艺有两种：一种是先拉深为带有凸缘，再切边，后成形；一种是先拉深成形，再外切式水平冲切边，这两种工艺方法比较容易实现。但是，都存在不利的方面，前者工序多效率低，且拉深成形后口部高低差较大，直接影响焊接加工；后者冲切边后工件易变形须进行整形加工，而且模具结构尺寸大，切刀分瓣位置存在着局限性，间隙装配一致不易控制，模具成本也高。针对上述问题，在12″～15″钢制车轮轮辐切边加工中，采用了斜楔内涨式水平切边模具，可以高效优质地完成轮辐的切边任务。

图1 轮辐结构图模具技术
    三、模具结构与工作原理
    1、模具结构

图2 模具结构图
    如图2 所示水平切边模具结构，安装于4000kN 闭式压力机上使用。下模板17 上装有固定座12，固定座上装有凹模11，下模板和调整垫板16 的中心钻工艺孔及均布四个螺钉孔，轮辐放置于托料板15 和顶杆13 上，以便轮辐的顶出卸料。在上模板上装有斜楔芯轴5，活动切刀7 用限位套6 和螺钉夹持在导向支承板3 与压料板14 之间，并保证活动切刀运动灵活自如，间隙调整板23 及复位螺杆18 等也用螺钉连接在导向支承板上。导向支承板在用卸料螺钉2及橡皮8 弹性悬挂于上模板，中间装有小导柱9 和小导套10 进行导向，须保证活动切刀与斜楔芯轴的斜面同时贴合，上、下模板用导柱导套进行导向，必须保证凹模与活动切刀的对中一致，从而使得活动切刀同时接触轮辐内径切下废边。
    2、工作原理
    将上模与冲床滑块相连接，下模与冲床工作台相连接。工作时，冲床滑块上行，使压料板移出凹模腔足够的距离，然后将轮辐置于托料板上，冲床滑块下行，压料板接触到轮辐底部凸圈后，间隙调整板紧紧地压在凹模端面上。当滑块继续下行到使斜楔芯轴进入活动切刀时，根据斜楔原理，将斜楔芯轴的轴向运动转换为活动切刀的径向运动。活动切刀沿径向涨出的同时，推动复位螺杆后退并压缩弹簧，从而活动切刀与凹模组成的刃口将轮辐整齐切下废边，完成轮辐的切边任务。之后滑块上行，上模退出凹模腔，冲床气动顶出缸通过顶杆与托料板将轮辐从凹模腔内顶出卸料，与此同时受压缩的弹簧推动复位螺杆，致使活动切刀自动回位，完成一个工作循环。
    3、主要零件设计
    (1) 活动切刀的设计

图3 活动切刀结构
    如图3所示活动切刀示意图，是该模具的核心部分。
    1.上模板2.卸料螺钉3.导向支承板4.垫板5.斜楔芯轴6.限位套7.活动切刀8.橡皮9.小导柱10.小导套11.凹模12.固定座13.顶杆14.压料板15.托料板16.调整垫板17.下模板18.复位螺杆19.档圈20.弹簧21.圆螺母22.侧档板23.间隙调整板
    1) 切刀分瓣原则：轮辐落料的形状为直边和圆弧边相互搭接，拉深成形后直边为月牙状。
    切刀的分瓣应根据轮辐口部形状进行，各圆弧段分为一瓣切刀并形成扇形活动切刀，扇形角度β一般选择85°左右，且扇形圆弧半径R 应取材料实际厚度中性层处，以保证切刀覆盖整个轮辐口部端面，不至于留下切边毛刺。
    2) 斜楔角度的确定：切刀所需水平方向的行程量一定，则随着切刀α变大，斜楔芯轴的工作量随之亦增大；反之，假若切刀α变小，斜楔芯轴的工作量随之亦即减小。通常斜楔角度α规定在30°～ 40°的范围内，加工时a 角应留有余量，最后与斜楔芯轴相应斜楔面配磨，保证配合对称一致。

3) 为使切刀锋利防止工件口部崩裂，切刀可以设计成带有前角γ，γ 角不宜过大，适宜在1°～ 3°范围内选用。
    4) 切刀的斜楔表面和上、下滑动面应光滑平整，表面粗糙度Ra ＝ 0.8mm，并在斜面上应开有X 形油槽。
    5) 切刀材料可采用Cr12MoV，热处理硬度宜选择HRC58 ～ 64。
    (2) 间隙调整板的设计
    切刀工作时，必须保证切刀刃口与凹模刃口之间有合适的间隙值d，如图2 所示，该间隙值由间隙调整板来保证与调整。由于切刀是用螺钉夹持在导向支承板与压料板之间的，间隙调整板也是连接在导向支承板上的。设计制造时使间隙调整板的端面长出压料板的滑动面d距离，具体设计时，可将端面做成可折卸调整垫与本体相连接，以便对d 值实施调整。通常情况下，料厚t ＝ 3 ～ 4mm，间隙值δ＝ 0.25 ～ 0.35mm。在图2中，复位机构装于间隙调整板内，由复位顶杆18、挡圈19、弹簧20、圆螺母21 和侧挡板22组成，当活动切刀涨出，将轮辐口部切下，冲床滑块回程，斜楔芯轴退出后，切刀须能自动复位。
    (3) 定位装置的设计
    图2所示中，压料板、托料板和调整垫板三者组成定位系统。其中，压料板的作用是起轮辐内径定位作用，同时也是活动切刀支持架，其直径尺寸应与轮辐内径配作，单边间隙应控制在0.2 ～ 0.3mm 范围内，切刀支持面应光滑平整，表面粗糙度Ra ＝ 0.4μm，便于切刀灵活运动，并在支持面上开有油槽。托料板型面严格按轮辐形状配作，不得错位。调整垫板起到控制冲床工作行程量及压力支撑的作用。由图2 得知：h＝H－（H1+t）＝H2－ δ。
    4、设计计算
    (1) 切边加工的冲压力计算
    所需加工力＝冲裁力+ 橡皮弹性力+ 复位弹簧力
    即：F ＝ F0+F1+f
    冲裁力F0 ＝ K1tLτbn
    式中：K1——系数，取1.3
    L —轮辐口部端面中性层弧长，210mm
    t —轮辐材料厚度，3.5mm
    τb —材料抗剪强度，460Mpa
    n —轮辐口部数量，取4
    ∴冲裁力 F0＝1.3×3.5×210×460×4＝ 1758 120N＝1 758.12kN
    橡皮弹性力F1 ＝ 43.1 × 6＝256.6 kN
    复位弹簧力f ＝ μKQn
    式中：μ —摩擦系数，0.4
    K—安全系数 （K＝3～5），取K＝4.5
    Q —切刀的质量（一件切刀重量约为7.6kg，而1kg ＝ 9.8N）
    n —数量，4
    复位弹簧力f＝0.4×4.5×7.6×9.8×4＝ 536.26N＝0.536 kN
    ∴所需加工力F ＝ F0+F1+f＝1 758.12+256.6+0.536.＝2 015.256 kN
    因此，冲压力P ＝ F·tanα＝ 1 411 kN。
    (2) 复位弹簧的负荷计算
    在推动活动切刀开始运动时，所需要的力与摩擦力相平衡，考虑到加工精度、润滑等诸条件，复位力须比推动活动切刀的力要大。
    f ＝ Kf1＝ KμQ
    式中： f—弹簧力， N
    μ —摩擦系数，0.4
    K —安全系数（K＝3～5），取K ＝ 4.5
    Q —切刀的质量，7.6kg
    ∴ f ＝ 0.4 × 4.5 × 7.6 ×9.8＝ 134.06N
    因此，弹簧φ40mm × φ5mm × 95mm，节距＝ 10.5 ㎜；负荷P 应在130 ～ 270N 范围内。
    (3) 斜楔的形状计算
    斜楔芯轴的行程要比活动切刀行程大；力的作用线（b点）与活动切刀滑动面的交点（a 点）应位于c 点的内侧；活动切刀的高度（图4）H:B＝1:（1.5～2.0）；活动切刀的宽度L必须比长度B长，以增强稳定性；活动切刀开始工作时，斜楔芯轴和活动切刀接触面长度≥50mm，而且接触面应为2/3以上。

图4 斜楔结构图
    四、结束语
    该模具设计合理，结构紧凑，动作安全可靠，工作效率高，尺寸一致性好，适应于大批量生产等特点，而且使用效果良好，加工质量稳定，在车轮轮辐加工技术中有着新颖性、先进性和实用性，同时对金属板材水平冲切加工具有广泛地推广运用价值。

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